Применение фотонных кристаллов

По-видимому, раньше всего фотонные кристалле получат широкое применение в качестве световодов.

Еще 30 лет назад не было сотовых телефонов, Интернета и спутниковой связи. В наше время все точки Земли и ближайший космос связаны многочисленная ми каналами связи.

Для связи возможно использование радиоволн различных частот. В последние десятилетия стала быстро развиваться оптическая связь на основе волоконной оп« тики, которая позволяет пропускать по одному волокну десятки тысяч различных потоков данных. Свет по сравнению с электрическим током имеет колоссальное преимущество. При передаче информации с помощью света не возбуждаются дополнительные электрические и магнитные поля (помехи), всегда сопутствующими электрическому току. В свою очередь, окружающие электромагнитные помехи (шум) не искажают оптический сигнал. Без ретрансляторов и усилителей сигнал проходит тысячи километров. Высокая частота колебаний позволяет передавать большой объем независимой информации. Пропускная способность волокон фактически сдерживается только пропускной способностью электронных приборов на входе и выходе.

Принцип действия традиционных световодов основан на многократном полном внутреннем отражении света за счет того, что внутренняя жила световода имеет больший показатель преломления, чем поверхностные слои.

В случае фотонных кристаллов передача энергии по световоду происходит по принципиально иному механизму. Световые волны не могут распространяться в поверхностных слоях световода (фотонного кристалла) за счет наличия в них запрещенной зоны. Вместе с тем имеющиеся внутри такого световода полости или нерегулярности структуры делают его аналогом примесного полупроводника. Именно так формируются световедущие каналы внутри световода. Ситуация аналогична 1 распространению электрического тока по металлическому проводу с изолирующей обмоткой. Важно, что такой механизм передачи энергии позволит сгибать световод под любым углом, в то время как для обычного световода даже изгиб под прямым углом приводит к существенной потере энергии из-за нарушения условия полного внутреннего отражения. Сгибая классический световод, необходимо выдерживать на сгибах радиус кривизны порядка 10 длин волн, световод на основе фотонного кристалла может иметь на сгибе скругление радиусом до половины длины волны.

Для микроэлектроники этот геометрический фактор очень существен, так как световоды в микросхемах надо многократно сгибать, укладывая их в небольшом объеме.

Применяемые волоконные световоды прозрачны только в узком диапазоне длин волн, в фотонном кристалле более широкий диапазон частот позволит увеличить поток независимой информации.

Интерес к фотонным проводникам связан, в частности, еще и с тем, что в них не выделяется тепло. Между тем тепловыделение - одно из главных препятствий на пути увеличения плотности интегральных схем и тактовой частоты.

Также проблемой является взаимная самоиндукция, характерная для высокочастотных электронных устройств. Для потоков света эта проблема не возникает.

Эффективность передачи в уже созданных фотонных кристаллах типа «поленницы» (рис. 5.4) со световедущими каналами в виде нерегулярностей структуры составляет 95%; для стандартных светопередающих сред этот показатель около 30%.

Еще один принцип создания новых световодов использует уже отработанную волоконно-оптическую технологию, в которой кварцевая легированная заготовка в виде стержня протягивается при температуре 2000 °С. В частности, в кварцевую трубку диаметром 20 мм упаковывают капилляры диаметром около 1 мм, причем упаковка капилляров в поперечном сечении имеет гексагональную структуру, выгодную для фотонного кристалла. Вытяжка уменьшает поперечный размер в тысячи раз.

Примерная структура оптоволокон нового типа показана на рисунке 5.5. Часть волокон имеет полую световедущую жилу в центре, в них используется тот же принцип, что для световодов на основе «поленницы». В других, со сплошной центральной световедущей жилой, механизм проводимости смешанный (частично полное внутреннее отражение, частично использованной запрещенной фотонной зоны).

Фотонно-кристаллические световоды (ФК световоды) - перспективный элемент различных сенсоров. Оптические характеристики ФК световодов изменяются при механическом, тепловом и других воздействиях. При этом возможен прием сигнала на значительном расстоянии от места измерения, а высокая радиационная и коррозионная стойкость делают систему надежной.

Реальная уже в ближайшее время область применения фотонных кристаллов - повышение на порядок эффективности ламп накаливания. У ламп накаливания, используемых в настоящее время, только 5% выделяемой энергии попадает в диапазон видимой части спектра, остальная энергия выделяется в виде ненужного и даже вредного тепла. (В качестве примера взята лампа с вольфрамовой нитью накаливания, позволяющая обеспечить нагрев до 2000 °С.) Идеальным материалом для источника света мог бы послужить фотонный кристалл, для которого инфракрасный диапазон попадает в запрещенную зону, в результате основная часть энергии излучается в видимой области спектра. Недавно на этом пути был предложен перспективный материал, представляющий «губку» из тугоплавкого металла (того же вольфрама), погруженного в воздух или другую диэлектрическую среду. Период этого 3D-фотонного кристалла равен 4,2 мкм при толщине элементов структуры в 1,2 мкм. Очень широкая запретная зона в диапазоне от 8 до 20 мкм позволила повысить эффективность лампы накаливания до 60% .

Вероятно, в ближайшее время будут использоватьсясочетания традиционных полупроводниковых устройств и устройств на базе фотонных кристаллов. В будущем планируется переход на компьютеры, основание исключительно на фотонике. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с компьютерами, основанными на электронике. Однако для построения полночью оптической системы необходимо иметь чисто оптические устройства, обеспечивающие преобразование Обработку информации. Одна из задач - создание нелинейных оптических материалов (НОМ), позволяющих управлять светом также с помощью света (оптическая коммутация). Работы в этой области ведутся, но пока оптические коммутаторы имеют слишком большие размеры.

Фотонные полупроводники предполагается использовать для управления световыми потоками, за счет изменения положения и ширины запрещенной фотонной зоны. Например, в фотонных кристаллах-репликах с искусственных опалов полости покрыты веществом, меняющим коэффициент преломления под действием электрического и магнитного поля, что позволяет управлять положением запрещенной зоны.

Была решена еще одна важная проблема для полупроводниковых лазеров. Обычный многокаскадный полупроводниковый лазер представляет собой 1D-структуру из нанометровых слоев полупроводника и излучает во все стороны параллельно плоскостям слоев. Ученым с помощью уникальной электронно-лучевой литографической установки удалось нанести на слои полупроводника гексагональную структуру фотонного кристалла. В итоге лазер излучает в направлении, перпендикулярном слоям полупроводника, и ему не нужны дополнительные устройств фокусировки. Это расширяет область его применения. Заметим, что размеры нового лазера на фотонных кристаллах не превышают50 мкм, что примерно вдвое тоньше диаметра человеческого волоса.